JP2004022946A - 高調波レーザ装置およびレーザ波長変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】寿命が長く、かつ小型の高調波レーザ装置を得る。
【解決手段】本発明の高調波レーザ装置は、反射ミラー（１３）と出力ミラー（１６）で構成される共振器内に配置した固体レーザ媒質（１４）と、共振器内または共振器外に配置した非線形光学結晶（１５）と、非線形光学結晶（１５）の位置をレーザ光の光軸と垂直方向に移動させる移動機構（２１）とを備えたもので、移動機構（２１）は、レーザ照射時に連動して移動させるもので、サーボモータ、リニアモータ又は圧電素子を用いたものである。
また、非線形光学結晶（１５）上のレーザ光の通過位置をレーザ照射に連動して変化させる移動機構付光学素子（２２）を設けてもよい。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非線形光学結晶を用いた高調波レーザ装置とレーザ光の波長変換方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、非線形光学素子を用いた高調波レーザ装置として、非線形光学結晶を共振器内に配置した内部共振器型と、共振器外に配置した外部共振器型が用いられている。
内部共振器型の高調波レーザ装置を図６に示す。図において１１は励起用半導体レーザ、１２は集光レンズ、１３は励起光を透過させ波長１０６４ｎｍの赤外光を反射する反射ミラー、１４はＮｄ：ＹＡＧロッド、１５は非線形光学結晶、１６は出力ミラー、１７は励起用半導体レーザ１１から発射される光であるＬＤ光、１８はＹＡＧレーザ光、１９は第２高調波光を示す。非線形光学結晶１５としては、ＫＴＰ、ＬＢＯ，ＢＢＯ，ＣＬＢＯ等が用いられる。
集光されたＬＤ光１７によりＮｄ：ＹＡＧロッド１４を励起させ、反射ミラー１３と出力ミラー１６との間でＮｄ：ＹＡＧのレーザ発振を起こさせる。このレーザ発振により波長１０６４ｎｍの赤外のＹＡＧレーザ光１８が得られる。このＹＡＧレーザ光１８を基本波として非線形光学結晶１５に入射することにより、波長５３２ｎｍの第２高調波が得られる。
ところが、上記の装置で波長変換を長時間行うと、ＹＡＧレーザ光１８が入射した非線形光学結晶１５の部分が、損傷を受けてしまう。そこで、図７に示すように従来の高調波レーザ装置は、非線形光学結晶が損傷を受けると、送り機構２０により非線形光学結晶の損傷を受けていない位置にＹＡＧレーザ光１８が入射するように非線形光学結晶１５をＹ軸またはＺ軸方向にずらして使用していた。または、非線形光学結晶１５の１つの位置で数１００時間程度波長変換を行うと、非線形光学結晶が損傷する前に非線形光学結晶をずらして使用していた。送り機構２０はステップ的に低速で非線形光学結晶を移動させればよいので、駆動方法は手動でよい。駆動方法として、ステッピングモータを用いることもあるが、これは送り機構の自動化のためであった。
図７の高調波レーザ装置で使用した非線形光学結晶の断面図を図８に示す。図８の▲１▼は、最初にＹＡＧレーザ光が通過した位置で、一定時間のレーザ照射後に、送り機構２０によりＹＡＧレーザ光が▲２▼のポイントを通過するように非線形光学結晶を移動させる。その後、▲３▼→▲４▼→……▲９▼と非線形光学結晶のポイントを移動させた結果が図８である。
従来の外部共振型の高調波レーザ装置を図９に示す。図９の外部共振型の高調波レーザ装置が内部共振型と異なる点は、非線形光学結晶１５が反射ミラー１３と出力ミラー１６で構成される共振器の外に配置されていることである。図９においても、非線形光学結晶の寿命を延ばすために、送り機構２０により非線形光学結晶１５をずらして使用していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の高調波レーザ装置においては、損傷を受けていない位置まで送り機構により非線形光学結晶をずらすため、次のポイントまでの距離をある程度大きく取る必要があった。そのため、光学結晶をずらすポイント数が限られてしまい、高調波レーザの装置寿命が短いといった問題があった。
また、非線形光学結晶の寿命を延ばすためには、多くのポイント数がとれるように断面積の大きな結晶を必要とし、結晶の大型化が困難な非線形光学結晶は実用的な高調波レーザ装置に採用できないといった問題があった。
そこで、本発明は寿命が長く、かつ小型の高調波レーザ装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明はつぎの構成にしている。
▲１▼　反射ミラー（１３）と出力ミラー（１６）で構成される共振器内に配置した固体レーザ媒質（１４）と、前記共振器内または共振器外に配置した非線形光学結晶（１５）と、前記非線形光学結晶（１５）の位置をレーザ光の光軸と垂直方向に移動させる移動機構（２１）とを備えた高調波レーザ装置において、前記移動機構（２１）は、レーザ照射に連動して移動させる電気式の移動機構としたもので、この電気式の移動機構は、サーボモータ又はリニアモータを用いたものでもよいし、圧電素子を用いたものでもよい。
本構成により、万遍なく非線形光学結晶を使用することができる。したがって、非線形光学結晶に局部的な損傷が生じることがなく、非線形光学結晶の寿命を長くすることができ、高調波レーザ装置の装置寿命を延ばすことができる。また、非線形光学結晶を大きくする必要がないので、小型の高調波レーザ装置を得ることができる。
▲２▼　反射ミラー（１３）と出力ミラー（１６）で構成される共振器内に配置した固体レーザ媒質（１４）と、前記共振器内または共振器外に配置した非線形光学結晶（１５）とを備えた高調波レーザ装置において、前記非線形光学結晶（１５）の前段に前記非線形光学結晶（１５）上のレーザ光の通過位置をレーザ照射に連動して変化させる移動機構付光学素子（２２）を設けたもので、移動機構は、サーボモータ、リニアモータ、圧電素子の少なくとも一つを用いたものである。本構成により、万遍なく非線形光学結晶を使用することができる。したがって、非線形光学結晶に局部的な損傷が生じることがなく、非線形光学結晶の寿命を長くすることができ、高調波レーザ装置の装置寿命を延ばすことができる。また、非線形光学結晶を大きくする必要がないので、小型の高調波レーザ装置を得ることができる。
▲３▼　反射ミラー（１３）と出力ミラー（１６）から構成される共振器内または共振器外の少なくともいずれかに配置した非線形光学結晶（１５）にレーザ光を通過させることによりレーザ光の波長変換を行う波長変換方法において、前記非線形光学結晶（１５）上のレーザ光通過位置をレーザ照射に連動して、移動させながら波長変換を行うものである。
本構成により、従来方式で生じていた照射ポイント間のデットスペースをなくすことができ、有効に非線形光学結晶を使用することができる。したがって、非線形光学結晶の寿命を長くすることができ、高調波レーザ装置の装置寿命を延ばすことができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の高調波レーザ装置の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態を図１に示す。図１は高調波レーザ装置の模式図である。図において、１１は励起用半導体レーザ、１２は集光レンズ、１３は励起光を透過させ波長１０６４ｎｍの赤外光を反射する反射ミラー、１４はＮｄ：ＹＡＧロッド、１５は非線形光学結晶、１６は出力ミラー、１７はＬＤ光、１８はＹＡＧレーザ光、１９は第２高調波光を示す。２１は非線形光学結晶１５の位置を移動させる移動機構である。
非線形光学結晶１５は、断面３×３ｍｍのＬＢＯを使用した。移動機構２１は、図２に示すような電気式のものを用いた。すなわち、小型のサーボモータ３１、３２およびボールねじを使用したＹ軸ステージ３３とＺ軸ステージ３４で構成しており、光軸に対して垂直２軸方向に、微小ステップあるいは連続的にあるいは高速に非線形光学結晶１５を移動させることができる。
つぎに、動作について説明する。
集光されたＬＤ光１７によりＮｄ：ＹＡＧロッド１４を励起させ、反射ミラー１３と出力ミラー１６との間でＮｄ：ＹＡＧをレーザ発振させる。このレーザ発振により波長１０６４ｎｍの赤外のＹＡＧレーザ光１８が得られる。このＹＡＧレーザ光１８を基本波として非線形光学結晶１５に入射することにより、波長５３２ｎｍの第２高調波１９が得られる。一定時間ごとに、移動機構２１により非線形光学結晶１５をステップ状に移動させながら波長変換を行った。具体的には図３に示すように、非線形光学結晶１５に対するＹＡＧレーザ光１８の入射位置がＹＡＧレーザ光の照射スポット径０．５ｍｍよりも小さなステップ幅０．２ｍｍで非線形光学結晶１５を移動させた。移動は１ｓｅｃ毎に行った。図３ではＹ軸方向のみの移動を示したが、実際には図４のようにＹ軸方向に１０ステップ移動するとＺ軸方向に１ステップ移動を行った。移動は繰り返し往復動作させた。
その結果、１５０００時間以上で、ＬＢＯに損傷は生じなかった。これに対して、比較のために調べた従来の波長変換方法では、ＬＢＯの１ポイントで連続して波長変換を行うで約５００時間でＬＢＯのレーザ照射部およびその周辺に損傷が生じた。図８のように断面３×３ｍｍのＬＢＯにはスペース的に最大９ポイントのレーザ照射ポイントしかとれないので、ＬＢＯの寿命は最大４５００時間である。
本実施例では、レーザ照射時に、移動機構２１により非線形光学結晶１５を移動させながら波長変換を行うので、非線形光学結晶１５全体を万遍なく使用することができ、非線形光学結晶１５の局所的な損傷を避けることが出来る。ＬＢＯの断面積をデッドスペース無く有効使用できるので、実使用面積は従来方法の約４倍となる
このように、本実施例では非線形光学結晶の寿命および高調波レーザ装置の装置寿命を大きく延ばすことができる。
【０００６】
なお、本実施例では、非線形光学結晶１５の移動を１ｓｅｃ毎におこなったが、移動時間の間隔は非線形光学結晶１５に局部的な損傷が生じない範囲で延ばすことは可能である。
また、非線形光学結晶１５にＬＢＯを使用したが、これに限らずＫＴＰ、ＢＢＯ、ＣＬＢＯをはじめとする非線形光学現象の得やすい光学結晶を用いてもよい。反射ミラー１３の代わりにＮｄ：ＹＡＧなどの固体レーザ媒質の端面に反射コーティングを施すことで代用することが可能である。
また、移動機構２１にサーボモータを用いたが、圧電素子を用いたものでもよい。励起用半導体レーザ１１の励起光は、ファイバにより導光してもよい。
また、図１では励起用半導体レーザ１１を反射ミラー１３の後方に配置し、エンドポンピングする方法を用いているが、励起用半導体レーザ１１をＮｄ：ＹＡＧロッドの側面に配置してサイドポンピングをおこなってもよい。さらに、半導体レーザを用いずにランプによる励起をおこなってもかまわない。固体レーザ媒質としては１４のＮｄ：ＹＡＧロッド以外にもＮｄ：ＹＶＯ４やＮｄ：ＹＬＦ等の他の結晶を用いることも可能である。
図１では、非線形光学結晶１５を反射ミラー１３と出力ミラー１６で構成する共振器内部に配置したが、共振器外に非線形光学結晶１５を配置することも可能である。また、基本波のレーザ光から第２高調波レーザを得るために第２高調波用非線形光学結晶に移動機構を設ける以外に、第３高調波レーザを得るために第３高調波用非線形光学結晶、または第４高調波レーザを得るために第４高調波用非線形光学結晶に移動機構を設けるなど、他の高調波用非線形光学結晶に移動機構を設けてもよい。
【０００７】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態の高調波レーザ装置を図５に示す。
第１の実施形態（図１）と異なる点は、非線形光学結晶１５を移動させる移動機構２１の代わりに非線形光学結晶１５へのレーザ光照射位置を変化させる移動機構付光学素子２２を設けたことである。また、非線形光学結晶１５を共振器の外に配置した外部共振器型とした。
非線形光学結晶１５は、第１の実施形態と同じく断面３×３ｍｍのＬＢＯを用いた。
移動機構付光学素子２２は、モータや圧電素子といった駆動機能を持ちＹＡＧレーザ光１８の光路を移動させることにより、微小ステップまたは連続的に非線形光学結晶へのレーザ光照射位置を変化させることが出来る。
移動機構付光学素子２２の移動による光軸のずれを元にもどすために、非線形光学結晶の後方に補正用の移動機構付光学素子２３を配置して、移動機構付光学素子２３の移動による光軸のずれを補正することが好ましい。
つぎに、動作について説明する。
集光されたＬＤ光１７によりＮｄ：ＹＡＧロッド１４を励起させ、反射ミラー１３と出力ミラー１６との間でＮｄ：ＹＡＧをレーザ発振させる。このレーザ発振により波長１０６４ｎｍの赤外のＹＡＧレーザ光１８が得られる。このＹＡＧレーザ光１８が基本波として非線形光学結晶１５に入射することにより、波長５３２ｎｍの第２高調波が発生し、出力ミラー１６を透過して第２高調波１９が得られる。その際に、移動機構付光学素子２２により非線形光学結晶へのＹＡＧレーザ光１８の照射位置を変化させながら波長変換を行った。具体的には、第１の実施例と同様に、非線形光学結晶１５に対するＹＡＧレーザ光１８の入射位置が変化するように移動機構付光学素子２２を移動させた。ただし、本実施例においては非線形光学結晶１５に対するＹＡＧレーザ光１８の入射位置を連続的に移動させた。移動速度は約１ｍｍ／ｓｅｃである。
その結果、非線形光学結晶の寿命は第１の実施形態と同様に１５０００時間以上であり、ＬＢＯに損傷は生じなかった。前述の比較例に比べ約４倍の寿命に向上している。
このように、本実施形態により非線形光学結晶の寿命および高調波レーザ装置の装置寿命を大きく延ばすことができる。
なお、本実施例（図５）では、非線形光学結晶１５を反射ミラー１３と出力ミラー１６で構成する共振器内部に配置したが、共振器外に非線形光学結晶１５を配置することも可能である。また、基本波のレーザ光から第２高調波レーザを得るために第２高調波用非線形光学結晶に前段に移動機構付光学素子を設ける以外に、第３高調波レーザを得るために第３高調波用非線形光学結晶の前段、または第４高調波レーザを得るために第４高調波用非線形光学結晶の前段に移動機構付光学素子を設けるなど、他の高調波用非線形光学結晶の前段に移動機構付光学素子を設けてもよい。
また、より高輝度のＹＡＧレーザ光１８を非線形光学結晶１５に集光させるために非線形光学結晶１５の前段に集光レンズ等を用いることも可能である。
【０００８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の高調波レーザ装置を用いることにより、移動機構または移動機構付光学素子で非線形光学結晶へのレーザ光照射位置を移動させることができ、局部的な損傷が生じることがなく、万遍なく非線形光学結晶を使用することができる。したがって、非線形光学結晶の寿命を長くすることができ、高調波レーザ装置の装置寿命を延ばすことができる。
また、本発明のレーザ波長変換方法は、非線形光学結晶へのレーザ光照射位置をレーザ光の照射径よりも小さな微小ステップまたは連続的に移動させることができ、非線形光学結晶の実使用面積を増やすことができ、万遍なく非線形光学結晶を使用することができる。したがって、非線形光学結晶の寿命を長くすることができ、高調波レーザ装置の装置寿命を延ばすことができる。また、非線形光学結晶全体を無駄なく波長変換に利用できるので、小型の非線形光学結晶の寿命を長くすることができ、結晶の大型化が困難な非線形光学結晶を実用的な高調波レーザ装置に採用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す高調波レーザ装置の模式図
【図２】図１における移動機構の詳細を示す斜視図
【図３】本発明の第１の実施例の波長変換方法を示す模式図
【図４】本発明の第１の実施例の波長変換方法で使用した非線形光学結晶の断面図
【図５】本発明の第２の実施形態を示す高調波レーザ装置の模式図
【図６】従来の第１の高調波レーザ装置を示す模式図
【図７】従来の第２の高調波レーザ装置を示す模式図
【図８】図７で使用した非線形光学結晶の斜視図
【図９】従来の第３の高調波レーザ装置を示す模式図
【符号の説明】
１１　励起用半導体レーザ
１２　集光レンズ
１３　反射ミラー
１４　Ｎｄ：ＹＡＧロッド
１５　非線形光学結晶
１６　出力ミラー
２０　送り機構
２１　移動機構
２２　移動機構付光学素子

Claims (6)

1. 反射ミラー（１３）と出力ミラー（１６）で構成される共振器内に配置した固体レーザ媒質（１４）と、前記共振器内または共振器外に配置した非線形光学結晶（１５）と、前記非線形光学結晶（１５）の位置をレーザ光の光軸と垂直方向に移動させる移動機構（２１）とを備えた高調波レーザ装置において、
   前記移動機構（２１）は、レーザ照射に連動して移動させる電気式の移動機構であることを特徴とする高調波レーザ装置。
2. 前記電気式の移動機構がサーボモータ又はリニアモータを用いたものであることを特徴とする請求項１記載の高調波レーザ装置。
3. 前記電気式の移動機構が圧電素子を用いたものであることを特徴とする請求項１記載の高調波レーザ装置。
4. 反射ミラー（１３）と出力ミラー（１６）で構成される共振器内に配置した固体レーザ媒質（１４）と、前記共振器内または共振器外に配置した非線形光学結晶（１５）とを備えた高調波レーザ装置において、
   前記非線形光学結晶（１５）の前段に前記非線形光学結晶（１５）上のレーザ光の通過位置をレーザ照射に連動して変化させる移動機構付光学素子（２２）を設けたことを特徴とする高調波レーザ装置。
5. 前記移動機構付光学素子（２２）の移動機構は、サーボモータ、リニアモータ、圧電素子の少なくとも一つを用いたものであることを特徴とする請求項４記載の高調波レーザ装置。
6. 反射ミラー（１３）と出力ミラー（１６）から構成される共振器内または共振器外の少なくともいずれかに配置した非線形光学結晶（１５）にレーザ光を通過させることによりレーザ光の波長変換を行う波長変換方法において、
   前記非線形光学結晶（１５）上のレーザ光通過位置をレーザ照射に連動して、移動させながら波長変換を行うレーザ波長変換方法。

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